KR101461135B1 - 액체 드럼형 연료전지-금속 회수 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상기 종래 기술의 문제를 해결할 수 있는 액체 드럼형 연료전지-금속 회수 장치에 관한 것으로서, 이를 통하여 석탄/금속 산화물 혼합 입자를 연속적으로 장치에 주입하여 석탄의 전기화학적 산화에 의해서 전력을 생산할 수 있다.

Description

액체 드럼형 연료전지-금속 회수 장치{Liquid drum type fuel cell-metal recovery device}
본 발명은 액체 드럼형 연료전지-금속 회수 장치에 관한 것이다.
연료전지는 화학적 에너지를 전기화학적 에너지로 전환하는 장치를 말하며, 배터리와 같은 에너지 저장 장치와 달리 연속적으로 수소나 에탄올과 같은 기상 혹은 액상의 연료를 연속적으로 주입할 수 있기 때문에 지속적인 구동이 가능하다.
이러한 연료전지는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC; proton exchange membrane fuel cell), 인산 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산 연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체 산화물 연료전지(SOFC; solid oxdie fuel cell), 직접 석탄(탄소)연료전지(DCFC; direct carbon fuel cell) 등 다양한 형태와 구조로 개발되어 있다.
이 중에서 차세대 연료전지라고 불릴 수 있는 직접석탄(탄소) 연료전지는 고체상의 탄소 연료나 바이오매스 등을 가스화나 개질기 사용 없이 직접 전기화학적으로 산화시켜 에너지원을 얻을 수 있는 연료전지다. 상기 직접탄소 연료전지는 발전 시스템이나 여타 다른 에너지 시스템과 비교할 수 없는 높은 열역학 에너지 전환율(ηth=ΔG/ΔH=over 100%)을 가지고 있을 뿐만 아니라, 다른 종류의 연료전지와 달리 외부 개질이나 물을 이용하지 않는다. 또한, NOx와 SOx 같은 부생배출이 거의 없으며, 단지 매우 순도가 높고 포집 및 재이용이 용이한 CO2 기체를 배출할 뿐이다.
연료로 이용되는 탄소 혹은 석탄은 고체상이어서 수소와 같은 기상의 물질보다 에너지 밀도가 크다는 장점이 있지만, 다공성 촉매와 접촉하는 삼상 계면에서의 고체 탄소와 고체 연료극 촉매 사이의 반응이 어렵다는 단점이 있다. 특히, 석탄은 매우 복잡한 화학적/물리적 구조로 이루어진 heterogeneous conglomerate이며, 약 10-45%의 수분과 45% 정도의 휘발성 물질 및 약 10% 안팎의 무기질로 구성되어 있다.
따라서 실제 석탄을 연료로 이용할 경우 석탄에 함유되어 있는 다양한 회분 물질(ash)에 의해서 직접탄소 연료전지의 연료극 촉매가 물리/화학적으로 피독되어 지속적인 전기화학적 반응을 저해되는 매우 큰 문제점을 가지고 있다.
또한 종래의 금속 회수 장치 혹은 석탄 연료의 전처리는 외부의 별개의 시스템을 통한 열 혹은 전기 에너지를 사용하여 금속 혹은 회분을 추출 혹은 회수 하는 방법을 이용하고 있다.
따라서, 직접석탄(탄소) 연료전지 구동 시 문제가 되는 석탄 연료 내 함유된 회분성분 혹은 미네랄 물질에 대한 내구성을 높이고, 이를 재이용 가능한 금속 물질로 회수가 가능한 장비 개발이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기 종래 기술의 문제를 해결할 수 있는 액체 드럼형 연료전지-금속 회수 장치를 제공하고자 하며, 이로써 석탄/금속 산화물 혼합 입자를 연속적으로 장치에 주입하여 석탄의 전기화학적 산화에 의해서 전력을 생산할 수 있다.
본 발명의 대표적인 일 측면에 따르면, (a) 하우징, (b) 상기 하우징 내로 연료 및 금속 산화물의 혼합물을 투입하는 1개 이상의 연료 투입부, (c) 축 방향으로 내부에 홀이 길게 나 있는 기둥 모양의 단위 셀로서, 상기 하우징 내부에 회전하도록 설치되어 있는 1개 이상의 단위 셀, (d) 상기 하우징 외부에서 상기 홀로 산소 포함 기체를 투입하는 1개 이상의 기체 투입부, (e) 상기 하우징 내에서 발생된 이산화탄소를 배출하는 1개 이상의 기체 배출부, (f) 상기 하우징 내의 빈 공간 중 적어도 일부를 충진하고 있는 액상 매개체, (g) 상기 투입된 금속 산화물이 상기 단위 셀에 의해 환원된 금속을 하우징 밖으로 배출하기 위한 1개 이상의 금속 배출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 석탄/금속 산화물 혼합 입자를 연속적으로 장치에 주입하여 석탄의 전기화학적 산화에 의해서 전력을 생산할 수 있어, 이때 발생되는 열과 연료극에서 반응하지 못하는 탄소 입자 혹은 석탄 연료의 전기화학적 반응에 의해 생성된 CO/CO2 기체를 환원제로 이용하여 금속 산화물을 금속으로 환원함으로써 금속을 회수할 수 있다. 또한, 직접탄소 연료전지의 실제 구동 시 문제가 되는 석탄 연료 내 함유된 회분성분 혹은 미네랄 물질에 대한 내구성을 높이고, 이를 재이용 가능한 금속 물질로 회수가 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 액체 드럼형 연료전지-금속 회수 장치의 전체 개요도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 석탄(탄소) 연료의 전기화학적 반응에 의한 전력생산에 관한 반응식과 탄소 혹은 CO 기체를 환원제로 하여 금속 산화물 혹은 회분(ash)을 다시 금속으로 환원시키는 반응에 예이다. 또한, 회수된 금속 자체를 다시 전기화학적 산화반응에 의해서 재 연료로 이용가능하다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 돌기형 연료극 튜블러(tubular) 형상의 단전지(single cell)의 구조를 도시한 개요도이다.
도 4는 도3의 단전지 개요도에서 실제 고체 석탄(탄소)와 금속 산화물 입자의 반응성을 높이기 위해서 반응 표면적을 증대시킨 돌기형 연료극 발명 구조에 대한 개요도이다.
도 5는 본 발명의 이론적 석탄(탄소)의 산화반응과 금속산화물의 환원 반응에 대한 온도에 따른 열역학적 에너지 값을 나타내기 위해서 Ellingham Diagrams을 재 구성한 그래프이다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 하우징, (b) 상기 하우징 내로 연료 및 금속 산화물의 혼합물을 투입하는 1개 이상의 연료 투입부, (c) 축 방향으로 내부에 홀이 길게 나 있는 기둥 모양의 단위 셀로서, 상기 하우징 내부에 회전하도록 설치되어 있는 1개 이상의 단위 셀, (d) 상기 하우징 외부에서 상기 홀로 산소 포함 기체를 투입하는 1개 이상의 기체 투입부, (e) 상기 하우징 내에서 발생된 이산화탄소를 배출하는 1개 이상의 기체 배출부, (f) 상기 하우징 내의 빈 공간 중 적어도 일부를 충진하고 있는 액상 매개체, (g) 상기 투입된 금속 산화물이 상기 단위 셀에 의해 환원된 금속을 하우징 밖으로 배출하기 위한 1개 이상의 금속 배출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지가 개시된다.
도 1에 예시적으로 제시한 바와 같이, 본 발명에 따른 직접 석탄 연료전지는 액상 드럼 시스템(liquid drum system)으로서, 우선 외부 하우징이 있고, 이 하우징에 회전되도록 설치되어 있는 1개 이상의 단위 셀을 포함한다. 이 단위 셀은 내부에 하우징 한쪽 면에서 다른 한쪽 면까지 이어진 내부 홀이 축 방향으로 길게 나 있으며, 이 내부 홀을 통해 공기나 산소 또는 이들 혼합기체가 통과된다.
또한, 상기 하우징 내로 연료와 금속 산화물의 혼합물이 투입되며, 상기 연료는 석탄일 수 있으나, 이에 한정되지만은 않는다. 또한, 하우징 내에서 발생된 이산화탄소를 배출하는 배출구가 1개 이상 구비되고, 상기 하우징 내부에는 액상 매개체로 충진되며, 상기 액상 매개체는 주석 용융물인 것이 바람직하다. 또한, 상기 하우징에는 위에서 투입된 금속 산화물이 환원된 금속을 배출하기 위한 금속 배출부가 1개 이상 구비된다.
이와 같은 직접 석탄 연료전지에 의해서 전력 생산과 금속 재회수가 동시에 가능한 장점이 있다. 즉, 종래의 금속 회수 장치는 열 혹은 전기 에너지를 사용해야 금속을 추출 혹은 회수하는 방법을 이용했지만, 상기 본 발명을 이용하면 석탄/금속 산화물 혼합 입자를 연속적으로 장치에 주입하여 석탄의 전기화학적 산화에 의해서 전력을 생산할 수 있다. 이때 발생되는 열과 연료극에서 반응하지 못하는 탄소 입자 혹은 석탄 연료의 전기화학적 반응에 의해 생성된 CO/CO2 기체를 환원제로 이용하여 금속 산화물을 금속으로 환원할 수 있다.
또한, 직접탄소 연료전지의 실제 구동 시 문제가 되는 석탄 연료 내 함유된 회분 성분 혹은 미네랄 물질에 대한 내구성을 높이고, 이를 재이용 가능한 금속 물질로 회수가 가능하다는 장점도 있다. 또한, 고체 석탄 연료에 의한 전기화학 반응의 전체 반응은 도 2에 제시한 바와 같이, 발열 반응이기 때문에, 연료전지의 작동 온도와 액체 주석의 액상 유지 및 금속 회수에 따른 열 손실을 보완할 수 있는 효과도 있다.
상기 측면의 일 구현예에 따르면, 상기 단위 셀은 (c1) 상기 단위 셀의 표면에 형성되어 있는 연료극, (c2) 상기 축 방향 홀의 표면에 형성된 공기극, (c3) 상기 연료극의 표면 중 적어도 일부와 접촉해 있는 연료극 집전체, (c4) 상기 공기극의 표면 중 적어도 일부와 접촉해 있는 공기극 집전체, (c5) 상기 공기극 접전체와 상기 연료극 집전체를 연결하는 외부 전선을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지가 개시된다.
즉, 상기 단위 셀은 도 3에 예시적으로 제시한 바와 같이 외부 표면에 위치한 연료극과 내부 홀에 위치한 공기극을 포함하는 튜블러(tubular) 형상으로 구현될 수 있고, 상기 연료극과 상기 공기극 각각에서 집전할 수 있는 집전체를 구비할 수 있으며, 이 둘을 연결하는 외부 전선을 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 연료극 집전체는 상기 연료극의 표면에 접촉해 있도록 구성된 1개 이상의 전도성 금속 선인 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지가 개시되는데, 연료극 집전을 위해 연료극 표면에 전도성 금속선을 도금함으로써 집전체를 구성할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 연료극은 YSZ (Yttria-stabilized zirconia)일 수 있고, 상기 연료극의 표면에는 TiO2 또는 V2O3의 나노 두께의 층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지가 개시된다.
튜브형 YSZ 단전지의 불순물 피독 및 세라믹 YSZ를 보호하기 위해서, 도 4에 예시적으로 제시한 바와 같이, 상기 반응에서 안정적이며 산소 이온 전달이 유리한 TiO2 혹은 V2O3를 형성시킬 수 있다.
특히, 원자층 증착 장비(atomic layer deposition)를 이용하여 10-100 nm의 나노 두께(예를 들어 50 nm 두께)의 부동화 피막(passivation layer)을 코팅하는 것이 바람직하며, ADL를 이용하여 10-100 nm 두께 범위의 TiO2 혹은 V2O3를 형성하는 경우에 불순물 피독이 크게 감소할 뿐만 아니라, 500 시간 이상의 장기 운전 후에도 상기 도금에 의한 전도성 금속 선이 YSZ 전극으로부터 이격되어 떨어져 나가지 않고 안정적으로 부착되고 유지될 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 연료극은 표면에 복수 개의 돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지가 개시된다. 상기 돌기는 고체 석탄(탄소)과 금속산화물의 입자의 크기를 고려하여 타원 반구형 혹은 육면체 형태로 각기 돌기의 지름 혹은 직경은 약 0.5-2 μm 이내가 적합하며, 그 간격은 50-100 μm 수준을 유지하는 방식으로 형성할 수 있으며, 상기 전도성 금속 선을 덮도록 형성하는 것이 상기 전도성 금속 선의 안정적 부착과 유지를 위해서 바람직하다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지는 상기 액상 매개체를 하우징 밖으로 배출하고 다시 재투입하기 위한 배출부 및 재투입부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지가 개시된다.
이와 같이, 상기 액상 매개체를 하우징 밖으로 배출 후 재투입할 수 있는 수단을 추가로 포함할 수 있으며, 이를 통해서 추가적인 액상 매개체에 대한 투입을 절약할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 연료는 석탄(coal), 코크스(coke), 차르(char), 그래파이트 중에서 선택된 1종 이상의 고체 연료이거나, 또는 휘발유, 경우, 중유, 등유 중에서 선택된 1종 이상의 액체 연료이거나, 또는 상기 고체 연료 및 상기 액체 연료의 혼합물인 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지가 개시된다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 연료는 0.1-5 ㎛ 크기로 분쇄된 고체 연료인 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지가 개시된다. 고체 연료의 입자 크기가 상기 크기 미만이거나 또는 초과하는 경우, 반응성이 크게 저하될 뿐만 아니라, 상기 범위를 벗어나는 경우와 달리 상기 범위의 분쇄 고체 연료를 사용하는 경우 별도의 배출-재투입과 같은 재순환하지 않고도 주석 용융액과 같은 액상 매개체와의 혼합능이 500 시간의 장기 운전 후에도 거의 동일한 수준으로 유지될 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 금속 산화물은 도 5에 제시한 바와 같이, Ellingham diagrams 상의 Sn + O2 = SnO2 반응보다 위 쪽에 위치한 산화 반응 물질, 즉 상기 반응보다 음의 자유 에너지 값의 절대값이 작은 반응 물질인 것이 바람직하며, 그 예로는 Ag2O, HgO, PdO, Cu2O, Fe2O3, NiO, CoO중에서 선택된 1종 이상인 경우가 포함되나, 이에 한정되지 않는다.
이와 같은 상기 회수 시스템을 이용하면 석탄에 함유되어 있는 회분(ash)중 미네랄 물질도 금속으로 회수가 가능하며, 미량 포함되어 있는 고가의 귀금속(noble metal) 물질도 회수가 가능하다는 장점이 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 액상 매개체는 용융 주석인 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지가 개시된다. 용융 주석 전기화학 매개체 이용하는 경우 산화 반응이 크게 증대되어 결과적으로 최종 연료전지 성능과 더불어 금속 회수 성능이 크게 향상됨을 확인하였다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 액상 매개체는 Sb, Pb, Bi 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지가 개시된다. 즉, 더 활발한 작동 온도와 산소 이온의 전달을 강화하기 위해서 비교적 녹는점이 낮은 금속(M = Sb, Pb, Bi)을 혼합하여 액체 Sn-M 매개체를 구성하는 것이 바람직하다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 연료극은 YSZ (Yttria-stabilized zirconia)이고, 상기 액상 매개체는 용융 주석이며, 상기 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지는 600-1,200 ℃ 범위에서 운전되는 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지가 개시된다. 이와 같이, 상기 반응은 YSZ의 산소 이온전달 속도, 액체 주석의 활동성 그리고 Ellingham diagrams 상의 자유 에너지 값을 고려하여 작동 온도는 600-1,200 ℃로 한정하는 것이 바람직하다.

Claims (12)

  1. (a) 하우징, (b) 상기 하우징 내로 연료 및 금속 산화물의 혼합물을 투입하는 1개 이상의 연료 투입부, (c) 축 방향으로 내부에 홀이 길게 나 있는 기둥 모양의 단위 셀로서, 상기 하우징 내부에 회전하도록 설치되어 있는 1개 이상의 단위 셀, (d) 상기 하우징 외부에서 상기 홀로 산소 포함 기체를 투입하는 1개 이상의 기체 투입부, (e) 상기 하우징 내에서 발생된 이산화탄소를 배출하는 1개 이상의 기체 배출부, (f) 상기 하우징 내의 빈 공간 중 적어도 일부를 충진하고 있는 액상 매개체, (g) 상기 투입된 금속 산화물이 상기 단위 셀에 의해 환원된 금속을 하우징 밖으로 배출하기 위한 1개 이상의 금속 배출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단위 셀은 (c1) 상기 단위 셀의 표면에 형성되어 있는 연료극, (c2) 상기 축 방향 홀의 표면에 형성된 공기극, (c3) 상기 연료극의 표면 중 적어도 일부와 접촉해 있는 연료극 집전체, (c4) 상기 공기극의 표면 중 적어도 일부와 접촉해 있는 공기극 집전체, (c5) 상기 공기극 접전체와 상기 연료극 집전체를 연결하는 외부 전선을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지.
  3. 제2항에 있어서, 상기 연료극 집전체는 상기 연료극의 표면에 접촉해 있도록 구성된 1개 이상의 전도성 금속 선인 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지.
  4. 제3항에 있어서, 상기 연료극은 YSZ (Yttria-stabilized zirconia)이고, 상기 연료극의 표면에는 TiO2 또는 V2O3의 나노 두께의 층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지.
  5. 제4항에 있어서, 상기 연료극은 표면에 복수 개의 돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지는 상기 액상 매개체를 하우징 밖으로 배출하고 다시 재투입하기 위한 배출부 및 재투입부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 연료는 석탄(coal), 코크스(coke), 차르(char), 그래파이트 중에서 선택된 1종 이상의 고체 연료이거나, 또는 휘발유, 경우, 중유, 등유 중에서 선택된 1종 이상의 액체 연료이거나, 또는 상기 고체 연료 및 상기 액체 연료의 혼합물인 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지.
  8. 제7항에 있어서, 상기 연료는 0.1-5 ㎛ 크기로 분쇄된 고체 연료인 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지.
  9. 제1항에 있어서, 상기 금속 산화물은 Ag2O, HgO, PdO, Cu2O, Fe2O3, NiO, CoO중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지.
  10. 제1항에 있어서, 상기 액상 매개체는 용융 주석인 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지.
  11. 제10항에 있어서, 상기 액상 매개체는 Sb, Pb, Bi 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지.
  12. 제2항에 있어서, 상기 연료극은 YSZ (Yttria-stabilized zirconia)이고, 상기 액상 매개체는 용융 주석이며, 상기 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지는 600-1,200 ℃ 범위에서 운전되는 것을 특징으로 하는 금속 환원 성능을 갖춘 직접 석탄 연료전지.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9865894B2 (en) * 2014-09-02 2018-01-09 The University Of Akron Solid oxide fuel cells fueled with reducible oxides
US10661736B2 (en) * 2016-05-19 2020-05-26 Saudi Arabian Oil Company Molten metal anode solid oxide fuel cell for transportation-related auxiliary power units

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110065587A (ko) * 2009-12-10 2011-06-16 광주과학기술원 휴대용 직접 탄소 연료전지 및 이의 구동방법
KR20120139433A (ko) * 2011-06-17 2012-12-27 한국에너지기술연구원 원통형 연료극 지지체를 사용한 직접탄소 연료전지 및 이의 제조방법
KR20140004423A (ko) * 2012-07-02 2014-01-13 광주과학기술원 금속 나노분말을 연료로서 채용한 고체산화물 전해질 기반 금속-공기 연료전지

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110014526A1 (en) * 2005-05-16 2011-01-20 Guer Turgut M High temperature direct coal fuel cell
US9979039B2 (en) * 2013-04-24 2018-05-22 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Direct carbon fuel cell and stack designs
US9865894B2 (en) * 2014-09-02 2018-01-09 The University Of Akron Solid oxide fuel cells fueled with reducible oxides

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110065587A (ko) * 2009-12-10 2011-06-16 광주과학기술원 휴대용 직접 탄소 연료전지 및 이의 구동방법
KR20120139433A (ko) * 2011-06-17 2012-12-27 한국에너지기술연구원 원통형 연료극 지지체를 사용한 직접탄소 연료전지 및 이의 제조방법
KR20140004423A (ko) * 2012-07-02 2014-01-13 광주과학기술원 금속 나노분말을 연료로서 채용한 고체산화물 전해질 기반 금속-공기 연료전지

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
H. Ju, et al., Enhanced anode interface for electrochemical oxidation of solid fuel in direct carbon fuel cells: The role of liquid Sn in mixed state, J. Power Sources, 198 (2012) 36-41 *

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